基于Proteus的數字電路虛擬實驗室建設

劉 勝，楊 夏

(廣西財經學院1.職業技術學院，2.信息與統計學院，廣西 南寧 530003)

“數字邏輯電路”是計算機及相關專業的一門非常重要的專業基礎課程。該課程概念較為抽象，特別是中規模集成電路往往令初學者難以掌握。為了加深學生的理解，實際教學中，除了要通過電路實例加以講解外，實驗的設置也非常重要。

Proteus軟件包可以提高產品的開發效率，降低開發風險，在教學、科研和開發等領域都得到了廣泛的應用[1-3]。本文以八路搶答器的設計與仿真為例，闡述了以Proteus軟件的ISIS組件為主的虛擬實驗室及在數字電路實驗中的應用實踐。

1 虛擬仿真實驗室的建設

相對于傳統的數字電路實驗室，使用Proteus軟件構建數字電路虛擬實驗室投入資金很少。只需要在計算機機房的每臺計算機上安裝Proteus軟件，就可以把普通機房變成一個虛擬的數字電路實驗室。Proteus中提供了30多個元件庫，并提供了各種儀器和電表，完全可以模擬一個實際的電路實驗工作臺[4]。實驗指導教師可以采用切換屏幕的方式進行實驗操作演示，實驗完成后學生上交DSN文件存檔。

2 虛擬實驗室的應用實踐

編碼器和顯示譯碼器是組合邏輯電路的典型代表，觸發器和鎖存器則是時序邏輯電路的重要基礎。本實驗要求學生在了解數字邏輯器件的邏輯功能基礎上，通過創新設計完成一個八路搶答器的電路，并在Proteus中仿真實現。

1)實驗課程安排

我們首先給出編碼器、顯示譯碼器、D觸發器和鎖存器的驗證電路。要求學生熟悉Proteus ISIS環境，并通過Proteus中的直觀的仿真反饋，了解集成電路芯片在各種不同輸入下的輸出。對照芯片手冊中的真值表和邏輯表達式，理解芯片功能。最后給出八路搶答器的功能描述，完成電路的設計和仿真。

2)八路搶答器功能描述

搶答器應在電路中設置“開始”和“復位”按鈕，當“開始”按鈕被按下時，蜂鳴器發聲時就開始搶答。在電路中設置8個帶有編號的搶答按鈕，當某個搶答按鈕被按下時，在數碼管上顯示該路按鈕的編號(編號為1-8)并保持，直到“復位”按鈕被按下，數碼管不顯示。

3)實驗指導

我們可以給出如圖1所示的編碼顯示原始電路，以便給學生提供設計思路。

圖1 編碼顯示原始電路仿真

Proteus中除了有按鈕元件外，還提供了一個LOGIC STATE元件。利用LOGIC STATE元件可以在仿真時實時對輸入信號進行手動控制。在設計階段，電路中所有按鈕或需要設置電平的引腳全部使用“LOGIC STATE”替代。

學生分析并仿真原始電路，后就會發現電路存在的問題:①該電路只能實現數碼管顯示0-7的效果，這顯然與設計要求中的要求顯示1-8不符;②原始電路中并沒有加入鎖存電路;③“開始”和“復位”按鈕也沒有出現在原始電路中。這些功能都需要學生自己添加，指導教師可以讓學生通過回顧各種中規模集成電路的功能來參與設計。通過在標準按鈕上連接虛擬示波器，學生可以理解按鈕被按下時引腳狀態的變化過程和反饋的概念等。

以在數碼管上對應8路按鍵分別顯示1-8為例，教師可以引導學生思考有哪些條件可以使得數碼管顯示8。結合設計實驗前對74LS47顯示譯碼器邏輯功能的驗證，提出使得數碼管顯示8的兩種方法:一種方法是使BCD碼輸入端的高位即“D”端輸入為1，“A”、“B”和“C”引腳輸入為 0，另一種則是將LT(測燈輸入端)設置為0。再結合圖1所示電路的仿真效果，引導學生利用74LS148的I0輸入來對顯示譯碼器進行控制，實現顯示效果。教師可以引導學生分析第一種方法可能存在的問題，并要求學生通過電路仿真加以驗證。考慮到當I0信號與其他搶答按鍵同時有效時，第一種方法存在顯示錯誤的可能，第二種顯示電路方案如圖2所示。

圖2 修改后的編碼顯示電路仿真

以按下“開始”按鈕后的發聲部分電路為例，該電路使用555的單穩態電路實現，仿真電路如圖3所示。觸發信號輸入后，發聲時間的長短需要通過R2和C1大小來控制。調整過程中不僅可以聽到蜂鳴器的響聲，還可以使用Proteus中的虛擬示波器查看電路響應。圖4是電路仿真時在Proteus中看到單穩態電路的實時輸入輸出波形。

圖3 555單穩態電路

圖4 單穩態電路波形

鎖存電路是八路搶答器設計的關鍵，實驗通過74LS373和D觸發器的應用加深學生對時序邏輯的認識。以D觸發器為例，實驗通過兩個典型的D觸發器應用電路讓學生理解異步置位端(R*和S*)、時鐘輸入端及D輸入端的關系。圖5為學生設計的八路搶答器仿真電路。

圖5 八路搶答器電路仿真

在圖中的①所示，電路通過R*和S*直接實現電路狀態的維持功能，可應用在“開始”和“復位”按鈕電路中。

在圖中的②所示，電路通過對D端的控制，依照D觸發器的特征方程:Qn+1=D，分別實現只響應一次上升沿輸入的鎖存功能和有條件置零功能。

3 結語

本文以八路搶答器作為一典型設計實例，實驗過程中充分發揮了Proteus軟件優勢，通過快捷的電路圖繪制和修改方式，直觀的電路仿真，充分調動了學生的學習積極性。學生根據自己的認識，設計出了多種不同的電路。學生通過實驗加深了對典型中規模集成電路的應用認識。

[1]周潤景，張麗娜.基于Proteus的電路及單片機系統設計與仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006

[2]吳小花，吳先球.Proteus電路設計與仿真在教學中的實踐[J].北京:計算機系統應用，2010(2)，201-204

[3]楊增汪，陳斯，戴新宇.基于Proteus的電類綜合實驗系統的構建[J].北京:中國現代教育裝備，2010(15)，116-118

[4]匡載華，鄧小鵬.電子類學科專業Proteus實驗室的建設[J].北京:實驗技術與管理，2009，26(1):155-158